某客戶委托我公司維修一臺高壓截止閥。據介紹，閥頭基體材料為20CrMnTi，基體熱處理狀態為淬火+回火，其密封面通過滲WC工藝提高抗擦傷性能。閥門在使用過程中，閥頭密封面受到沖刷腐蝕（見圖1）。為了找到閥頭密封面失效的原因，進行了以下分析。

1.試樣制備和試驗方法

從失效閥頭基材車削屑樣，制備化學分析試樣，分析基材的成分是否合格。采用線切割從失效閥頭基材和密封面部位截取金相試樣，進行微觀組織分析、光譜分析和硬度檢測。從閥頭基材割取3個拉伸試樣和3個沖擊試樣，進行拉伸性能試驗和沖擊性能試驗。

采用化學分析方法對閥頭基體材料進行成分分析，XJZ-1A型金相顯微鏡對微觀組織進行分析，NITON XLY898型直讀光譜儀對滲層成分進行分析，HB-3000型布氏硬度計和HR-150型洛氏硬度計對閥頭基材和滲層的硬度進行檢測，WE-60型萬能試驗機進行拉伸性能測試，JB-30B型沖擊試驗機進行沖擊性能測試。

2.試驗結果與分析

（1）宏觀觀察

從圖1可見，在閥頭密封面，橫向和縱向都有較深的溝槽，延伸到基體。說明在閥門開啟狀態下，閥頭密封面受到介質中硬顆粒的強力沖刷。

（2）閥頭基材的化學成分分析

從失效閥頭基材位置取樣進行化學成分分析，結果見表1。從分析結果來看，各個元素含量均在標準范圍內，閥頭基材的化學成分符合標準GB/T3077—1999對20CrMnTi鋼的成分要求。

表1   閥頭基材的化學成分（質量分數）  （%）

（3）閥頭基材的力學性能分析

閥頭基材的拉伸和沖擊試驗數據見表2。可以看出，閥頭基材的抗拉強度和塑性指標皆符合國家標準規定的20CrMnTi鋼淬火+回火后的性能指標。

表2   閥頭基材的力學性能試驗數據

（4）閥頭基材的硬度檢測

對閥頭基材進行硬度檢測，硬度值為197HBW、193HBW、204HBW、213HBW、200HBW、193HBW，說明基材屬于韌性材料。

（5）閥頭密封面滲層的硬度檢測 

對閥頭密封面滲層進行硬度檢測，硬度值為43.8HRC、44.1HRC、37HRC、39.5HRC、41.5HRC、39HRC、37HRC，平均硬度為40.3HRC。可見作為易受沖刷的部位，密封面滲層的硬度不高。

（6）閥頭基材及滲層的金相分析

使用4%的硝酸酒精溶液對金相拋光態試樣進行化學侵蝕，并對滲層及基材部位進行觀察。由金相組織可見由表及里的組織分布形貌，近表層組織為針狀馬氏體、殘留奧氏體及WC，心部主要為低碳馬氏體、貝氏體及少量鐵素體，滲碳表層未見WC金相組織。亦未有明顯的滲層組織及深度（見圖2、圖3）。

（7）閥頭密封面滲層的光譜分析

為了進一步確定材料是否進行了滲WC處理，采用直讀光譜儀對滲層進行金屬元素分析，發現材料中含W量極低，檢測值為0.05%。

3.分析與討論

閥頭密封面存在多處較深的溝槽。閥頭基體的化學成分、力學性能和硬度符合標準要求。可見密封面滲層不耐沖刷與滲層組織和硬度有關。

由金相檢測結果可見，基體心部組織主要為低碳馬氏體、貝氏體及少量鐵素體等韌性組織，心部組織正常，滲層組織未見WC組織。WC組織含量太少，必然降低滲層的耐磨性能。滲層組織檢測中未發現金屬元素W，說明滲WC工藝不成功。

滲WC工藝屬于高溫熱擴滲工藝。被滲元素（C、W）在基體金屬中要有一定的滲入速度。提高滲入速度的最重要手段之一就是將工件加熱到足夠高的溫度，使溶質元素能夠有足夠大的擴散系數和擴散速度。如果降低滲WC工藝的加熱溫度，或縮短保溫時間，必然造成滲層中的WC含量不足或滲層太淺，降低密封面滲層的耐磨性能。

4.結語

該閥頭密封面的損壞屬于滲層硬度不足造成的沖刷腐蝕。滲層中WC含量太低，降低了密封面的耐磨性能。建議嚴格執行確定的滲WC工藝，保證充分的加熱溫度和保溫時間，保證要求的WC含量和滲層深度。通過“表面具有WC的高硬度，高耐磨，心部保留20CrMnTi基體調質狀態的硬度、強度和韌性”的合理結構，來保證閥頭密封面的耐磨性能。  

文/李斌、楊永良、劉智民、王田勇、王丹，西安泵閥總廠有限公司